一种抽油机多模式驱动控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种抽油机多模式驱动控制系统，该系统包括变频器、信号检测模块、控制量输出模块、DSP核心处理模块、通信模块和显示与设置模块。本发明能够实现游梁式抽油机多种运行模式，可根据不同的工况和生产需求选择不同的运行模式，以改变现有抽油机控制系统控制模式单一、不能适应复杂工况的需求的现状，以达到减少能耗、提高产液量、改善能效的目的，同时还能实现抽油机的无冲击柔性启动。本发明可实现的抽油机运行模式包括：工频模式、变频恒速运行模式、上快下慢运行模式、功率随动运行模式和速度优化运行模式。
【专利说明】
一种抽油机多模式驱动控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种抽油机多模式驱动控制系统，专用于油田游梁式抽油机实现多种运行模式。
【背景技术】
[0002]目前，我国各大油田相继进入高含水开发期，采油工况也更加复杂。而油田采用的抽油机驱动控制系统控制模式却相对单一，往往只能实现一到两种运行模式，不能很好的适应各种工况及不同生产的需求。游梁式抽油机以其结构简单、可靠性高、适应工况条件好等优点在油田现场得到普遍应用，但其使用过程中存在功率因数低、效率不高、负载率普遍偏低及启动过程电流冲击大等弱点。而当前市面上的针对游梁式抽油机的驱动系统并没有相应的运行模式能够很好的解决上述问题。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种抽油机多模式驱动控制系统，实现游梁式抽油机多种运行模式，可根据不同的工况和生产需求选择不同的运行模式，改变现有抽油机控制系统控制模式单一、不能适应复杂工况的需求的现状，以达到减少能耗、提高产液量、改善能效的目的，同时还能实现抽油机的无冲击柔性启动。
[0004]为了克服现有的抽油机驱动控制系统运行模式单一的不足，且较好的改善游梁式抽油机运行效果。本发明提供一种抽油机多模式驱动控制系统，该抽油机多模式驱动控制系统不仅能够实现抽油机运行的多种工作模式，尤其具有提高游梁式抽油机系统效率，减小启动冲击的运行模式，而且能够实现抽油机无冲击柔性启动。该抽油机多模式驱动控制系统的运行模式包括:工频运行模式、变频恒速运行模式、上快下慢运行模式、功率随动运行模式和速度优化运行模式。
[0005]柔性启动是指抽油机井系统的无冲击软启动。抽油机驱动控制系统控制变频器输出频率从零频逐渐递进变化的电源，从而使电动机保持较小的转差率缓慢启动，保证抽油机系统启动过程中无电能和机械冲击，进而可以降低抽油机电动机的装机容量。
[0006]工频模式为抽油机以50Hz运行，抽油机冲次固定。
[0007 ]变频恒速运行模式为通过变频器改变电源频率到特定值，使抽油机电动机以恒定的速度运行，进而达到任意调节抽油机冲次的效果，从而适应不同供液能力的油井工况，实现节能的目的。
[0008]上快下慢运行模式为抽油机在上冲程过程中以较高速度运行，而在下冲程以较低速度运行。DSP核心控制模块实时对变频器进行控制，在上冲程和下冲程分别输出不同的电源频率，使上快下慢运行模式能够任意调节抽油杆上行下行速度及抽油机冲次，从而适应不同油井工况，并达到提高产液量的目的。
[0009]功率随动运行模式为使电动机转速与抽油机载荷变化相匹配，基本原则为载荷越大，转速越低，载荷越小，转速越高，进而使抽油机整体功率趋于平稳。功率随动运行模式能够任意调节抽油机冲次，能够实现抽油机的柔性运行，能够动态跟踪载荷变化，避免启动冲击、减小功率波动，消除抽油机运行过程中的“倒发电”现象，同时减小由于载荷剧烈变化引起的机械冲击，程序运行于此模式，实时进行PID算法计算，并实时控制DA模块输出步进DA值来控制抽油机，改善抽油机的运行状况，提高抽油机能效。
[0010]速度优化运行模式为从抽油栗栗效分析，将栗效最优状态反演至电动机转速状态，在抽油机功率随动运行模式基础上进行PID算法计算和对抽油机运行周期内特定区间进行的速度再调整。速度优化运行模式能够任意调整抽油机冲次，优化抽油机周期内的速度分布，使其能够在柔性运行的基础上实现速度优化，提升了系统运行效率，达到改善抽油机运行状况、提高能效和产液量的目的。提升了系统运行效率。
[0011]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该抽油机多模式驱动控制系统包括:变频器、信号检测模块、控制量输出模块、DSP核心处理模块、通信模块和显示与设置模块。
[0012]变频器，实现将网侧电源转换为系统需要频率的电源，且能实现频率的快速响应，0-50Hz响应时间不超过3s。
[0013]信号检测模块，实现对抽油机电压、电流信号的采集，并通过倾角传感器和速度传感器实现对游梁角度和电动机转速的测量，测量数据的更新速度达到20ms/次。通过对电压、电流的采集计算出抽油机系统实时的功率、功率因数等参数，作为控制系统算法计算及系统控制的重要参考量。倾角传感器垂直安装在游梁转动轴的正上方，用于获取抽油机运行的实时位置信息，并确定上下死点的位置。转速传感器安装在电动机的尾端，用于实时测量电动机的转速，作为抽油机多模式驱动系统控制的一个反馈量。
[0014]控制量输出模块通过高速DA芯片将DSP核心处理模块输出的数字信号转换成-10-1OV的模拟信号，再经过隔离芯片后将模拟信号接在变频器的模拟信号控制端，通过模拟信号控制变频器输出合适的电源频率。
[0015]DSP核心处理模块，采用具有32位浮点处理能力的DSP处理器TMS320F28335，集成抽油机5种工作模式的控制算法，可以根据系统设定，实现相应的抽油机运行模式。该DSP核心处理模块接收信号检测模块输入的信息，通过不同运行模式的算法计算出控制变频器的数字量输出给控制量输出模块，并与通信模块实现数据交互，主要包括当前状态参数、模式选择命令和参数设置命令的交互。
[0016]通信模块包括串口通信和网口通信两部分，串口通信实现DSP核心处理模块与显示与设置模块的通信，网口通信实现DSP核心处理模块与上位机的通信。
[0017]显示与设置模块，实现抽油机当前状态及模式参数的显示，同时可以实现抽油机运行模式选择与控制参数的更改设置。
[0018]上位机可实现显示与设置模块的全部功能，并可以实现与DSP核心处理模块更全面的信息交互，包括获取实时采集的电参数、角度、速度等数据，方便进行抽油机多模式驱动控制系统的测试和数据分析。
[0019]另外，抽油机多模式驱动控制系统能够脱离上位机独立运行。
[0020]本发明的有益效果是，可以实现抽油机的多种运行模式，以适应不同的抽油机井工况和生产需求。功率随动运行模式能够改善抽油机的运行效果，提高能效，减小运行过程中的机械冲击。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的抽油机多模式驱动控制系统一具体实施例的结构示意图。
[0022]图2是抽油机变频恒速运行模式下的流程图
[0023]图3是抽油机上快下慢运行模式下的流程图
[0024]图4是抽油机功率随动运行模式下的流程图
[0025]图5是抽油机速度优化运行模式下的流程图
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
[0027]如图1所示，电网I连接变频器9的电源输入端，电动机3连接变频器9的输出端，信号检测模块8连接变频器9和DSP核心处理模块6，控制量输出模块7连接DSP核心处理模块6和变频器9的模拟量控制端，通信模块5分别连接显示与设置模块4和DSP核心处理模块6，另外通信模块5还可与上位机10相连。
[0028]信号检测模块8连接变频器9的输入端实现抽油机电参数的采集，并连接倾角传感器和转速传感器实现游梁角度及电动机速度的采集。通过对电压、电流的采集计算出抽油机系统实时的功率、功率因数等参数，作为控制系统算法计算及系统控制的重要参考量。倾角传感器垂直安装在游梁转动轴的正上方，用于获取抽油机运行的实时位置信息，并确定上下死点的位置。转速传感器安装在电动机3的尾端，用于实时测量电动机的转速，作为抽油机多模式驱动系统控制的一个反馈量。
[0029]DSP核心控制模块6将抽油机当前的运行状态、运行模式及参数信息通过通信模块5发送到显示与设置模块4，显示与设置模块4将这些参数实时显示出来。DSP核心控制模块6接收到显示与设置模块4下达的柔性启动、模式切换或参数更改等命令后，DSP核心控制模块6接收信号检测模块8采集的数据，调用相应算法融合抽油机所有的电参数、位置、转速等信息，计算分析后输出相应的控制数字信号给控制量输出模块7。控制量输出模块7将接收到的数字信号通过D/A转换电路转换为-10-10V范围内的模拟信号，再经过隔离芯片后将模拟信号接在变频器9的模拟量控制端，进而输出合理的电源频率给电动机3，达到调节电动机转速的目的。
[0030]上位机10为方便抽油机多模式驱动控制系统调试及数据分析设计，可以完全代替显示与设置模块4，并具有更全面的功能。在连接显示与设置模块4的情况下，抽油机多模式驱动控制系统能够脱离上位机10运行。上位机10与通信模块5连接后，能够根据需要获取抽油机参数，并能实现曲线显示及数据存储功能，从而方便系统调试及抽油机数据分析。
[0031]在一实施例中，抽油机系统以工频状态运行，能量波动剧烈。出于电网稳定、冲击最小的目的，切换抽油机多模式驱动控制系统运行模式为功率随动运行模式，DSP核心控制模块接收命令后切换运行模式控制算法，如果未设定控制参数则在默认控制参数下执行功率随动控制算法，运行过程中也可根据需要通过显示与设置模块人为更改控制参数，如提高抽油机冲次。DSP核心控制模块获取信号检测模块采集的实时信息，通过与功率随动控制目标的比较运算，再经过控制量输出模块输出合适电压值，实时控制电动机转速。在功率随动控制模式下运行，使得电动机功率维持相对平稳，减小抽油机井系统的冲击。
[0032]以上该仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应倶属本发明的专利范围。
【主权项】
1.一种抽油机多模式驱动控制系统，其特征在于包括:变频器、信号检测模块、控制量输出模块、DSP核心处理模块、通信模块和显示与设置模块，可实现游梁式抽油机工频运行模式、变频恒速运行模式、上快下慢运行模式、功率随动运行模式和速度优化运行模式5种运行模式，可根据不同的工况和生产需求进行运行模式的选择。2.根据权利要求1所述的抽油机多模式驱动控制系统，其特征在于能够实现抽油机的无冲击柔性启动，使系统的输入电流、电机的输出功率均从零平滑上升至工频运行状态，消除冲击性启动峰值。其中所述的功率随动运行模式，其特征在于使电动机转速与抽油机载荷变化相匹配，载荷越大，转速越低，载荷越小，转速越高，减小机械系统的机械冲击，并且消除“倒发电”，减少系统的能耗。其中所述的速度优化运行模式，其特征在于从抽油栗栗效分析，在抽油机功率随动运行模式基础上对抽油机运行周期内特定区间进行的速度再调整，优化抽油机一个周期内的速度分布。3.根据权利要求1所述的抽油机多模式驱动控制系统，其特征在于电网连接变频器的电源输入端，电动机连接变频器的输出端，信号检测模块连接变频器和DSP核心处理模块，控制量输出模块连接DSP核心处理模块和变频器的模拟量控制端，通信模块分别连接显示与设置模块和DSP核心处理模块，另外通信模块还可与上位机相连。4.根据权利要求1或2所述的抽油机多模式驱动控制系统，其特征在于DSP核心处理模块采用具有32位浮点处理能力的DSP处理器TMS320F28335，集成抽油机5种工作模式的控制算法;控制量输出模块通过高速DA芯片将DSP核心处理模块输出的数字信号转换成-10-10V的模拟信号，再经过隔离芯片后将模拟信号接在变频器的模拟信号控制端。
【文档编号】H02P23/00GK106026836SQ201610344720
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】任旭虎, 李旭, 秦炳坤, 李德文, 苏建楠, 艾洁, 吕正阳
【申请人】中国石油大学(华东)